Самосинхронизирующиеся коды
Синхронизация передатчика и приемника необходима для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент следует осуществлять считывание поступающих данных. Синхросигналы настраивают приемник на передаваемое сообщение и поддерживают синхронизацию приемника с приходящими битами данных. Проблема синхронизации легко решается при передаче информации на небольшие расстояния (между блоками внутри компьютера, между компьютером и принтером) путем использования отдельной тактирующей линии связи: информация считывается только в момент прихода очередного тактового импульса. В компьютерных сетях отказываются от использования тактирующих импульсов по двум причинам: ради экономии проводников в дорогостоящих кабелях и из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях (на больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигналов может привести к рассинхронизации тактовых импульсов в тактирующей линии и информационных импульсов в основной линии, вследствие чего бит данных будет либо пропущен, либо считан повторно).
В настоящее время синхронизация передатчика и приемника в сетях достигается применением самосинхронизирующихся кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения (переходы) уровней информационного сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются такие СК, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного информационного бита. Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и увереннее производится идентификация принимаемых битов данных.
Указанные требования к способам цифрового кодирования дискретной информации являются в определенной степени взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже способов кодирования имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с другими.
Самосинхронизирующиеся коды. Наиболее распространенными являются следующие СК:
- потенциальный код без возвращения к нулю (NRZ – Non Return to Zero);
- биполярный импульсный код (RZ-код);
- манчестерский код;
- биполярный код с поочередной инверсией уровня.
На рис.7 представлены схемы кодирования сообщения 0101100 с помощью этих СК.
0 1 0 1 1 0 0
NRZ - код
RZ - код
Манчестерский код
Биполярный код с
поочередной
инверсией уровня
Рис.7. Схемы кодирования сообщения с помощью самосинхронизирующихся кодов
Для характеристики и сравнительной оценки СК используются такие показатели:
- уровень (качество) синхронизации;
- надежность (уверенность) распознавания и выделения принимаемых информационных битов;
- требуемая скорость изменения уровня сигнала в линии связи при использовании СК, если пропускная способность линии задана;
- сложность (и, следовательно, стоимость) оборудования, реализующего СК.
NRZ-код отличается простотой кодирования и низкой стоимостью реализации. Такое название он получил потому, что при передаче серий одноименных битов (единиц ли нулей) сигнал не возвращается к нулю в течение такта, как это имеет место в других способах кодирования. Уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов (может произойти рассогласование таймера приемника по отношению к поступающему сигналу и несвоевременный опрос линий).
Для NRZ-кода имеют место соотношения
V1Ј V2 ; V1,max = V2 , где V1 – скорость изменения уровня сигнала в линии связи (бод); V2 – пропускная способность линии связи (бит/с).
Кроме того, что этот код не обладает свойством самосинхронизации, у него есть и другой серьезный недостаток: наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных серий единиц или нулей. Вследствие этого код NRZ в чистом виде в сетях не используется. Применяются его различные модификации, в которых устраняют плохую самосинхронизацию кода и наличие постоянной составляющей.
NZ-код, или биполярный импульсный код (код с возвращением к нулю), отличается тем, что за время передачи одного информационного бита уровень сигнала меняется дважды независимо от того, передаются ли серии одноименных битов или поочередно изменяющихся битов. Единица представлена импульсом одной полярности, а ноль – другой. Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующимися свойствами, но стоимость его реализации довольно высокая, так как необходимо обеспечить соотношение V1= 2V2.
Спектр у NZ-кода шире, чем у потенциальных кодов. Из-за слишком широкого спектра он используется редко.
Манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов – двойное изменение. Каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль – обратным перепадом. Соотношение скоростей для этого кода такое:
V1Ј 2V2 ; V1,max = 2V2 .
Манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующимися свойствами, так как сигнал изменяется, по крайней мере, один раз за такт передачи одного бита данных. Его полоса пропускания уже, чем у RZ-кода (в среднем в полтора раза). В отличие от биполярного импульсного кода, где для передачи данных используются три уровня сигнала (что иногда весьма нежелательно, например, в оптических кабелях устойчиво распознаются только два состояния – свет и темнота), в манчестерском коде – два уровня.
Манчестерский код широко применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.
Биполярный код с поочередной инверсией уровня (код AMI) является одной из модификаций кода NRZ. В нем используются три уровня потенциала – отрицательный, нулевой и положительный. Единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным. Для кодирования нуля используется нулевой потенциал. Код обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц, так как потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей. При передаче серий нулей синхронизация отсутствует. Код AMI сравнительно прост в реализации. Для него V1Ј V2 , V1,max = V2 .
При передаче различных комбинаций битов на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а следовательно, и к более высокой пропускной способности линии.
Заметим, что улучшенные потенциальные коды (модерни-зированные манчестерский код и код AMI) обладают более узким спектром, чем импульсные, поэтому они находят применение в высокоскоростных технологиях, например в FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.